CN114442968A - 一种3d打印工程参数匹配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印工程参数匹配方法，包括：获取待打印工程的项目基本信息，针对每个构件，分别根据项目基本信息确定打印模型以及养护制度；根据打印模型、打印环境与养护制度确定材料配合比与打印路径，基于材料配合比与打印路径进行预打印，预打印是否合格，若是，则确定打印设备参数与养护参数；基于确定的参数进行构件的打印，检验所得构件的性能是否满足要求，若是，则以当前参数为该构件的最优工程参数；若否，则对工程参数进行优化。利用本发明实施例所提供的3D打印工程参数匹配模型得到的待打印工程的最优工程参数，能够有效克服现有技术所存在的仅考虑单一因素难以转换为项目成果的问题。

Description

一种3D打印工程参数匹配方法
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及一种3D打印工程参数匹配方法。
背景技术建筑3D打印技术是一种应用机电一体化技术将水泥基建筑材料自动建造成所设计的模型结构的新型建造方式，具有设计自由化、施工快速化等诸多优势，特别的是增材制造的方式使得建造成本大幅度降低。目前，该技术的优化核心在于材料与打印设备的兼容性和协调性，但是这并不能有效地提升推动建筑3D打印技术的发展；因为，在实际打印工程中，会受到材料和设备、路径等多种影响因素的影响。
然而，当下研究鲜有依据实际工程情况成体系的研究，更多地局限于单点、单学科的研究层面。现有工程中主要着力于研究如何提升材料性能或者路径规划，以材料为例，在材料的配比设计上提升材料的硬化性能，但是在设计材料配比时未综合考虑材料与其他因素的协同关联性、适配性，单一提升材料性能会导致工程成本、施工工期不满足工程要求，致使相应的高性能材料的研发成果不能高效转化到实际应用工程上、或大大降低了打印技术的固有优势。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的着力于单因素研究、缺少3D打印工程参数匹配体系的问题，提供一种3D打印工程参数匹配方法，本发明通过3D打印实际工程各环节进行分析，确定3D打印对应的工程参数与参数间的匹配调试模型，对3D打印工程具有深远的工程指导意义。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种3D打印工程参数匹配方法，所述方法包括：
获取待打印工程的项目基本信息，所述项目基本信息包括：项目要求、各构件的尺寸与形状、打印环境；
根据所述项目基本信息确定养护制度，以及，根据所述项目基本信息确定各构件的打印模型；所述打印模型包括：各构件的结构分块设计，以及拼接参数；
针对每个构件的各个结构分块，根据结构分块的形状与尺寸、打印环境与养护制度确定材料配合比与打印路径，基于所述材料配合比与打印路径进行各结构分块的预打印；检验预打印的模型是否合格，若否，则重新确定所述打印路径，直到预打印模型合格；若是，则根据所述材料配合比与打印路径确定各结构分块的打印设备参数与养护参数；
基于各结构分块的材料配合比、拼接参数、打印路径、打印设备参数与养护参数进行构件的打印，得到整体结构件；
检验所述整体结构件的性能是否满足要求，若是，则以当前材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数、拼接参数为该整体结构件的最优工程参数；若否，则计算所得整体结构件的性能差异系数，根据所述性能差异系数对工程参数进行优化。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述检验所得整体结构件的是否满足要求，包括：
通过实验获取所述整体结构件中受力构件的性能指标，判断所述性能指标是否达到预设值，若是，则认为所得整体结构件性能满足要求，若否，则认为所得整体结构件性能不满足要求，并基于所述性能指标与预设值的差值计算所得构件的性能差异系数。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，通过实验获取的受力构件的性能指标，包括：应变、扰度、横截面、裂缝宽度、模型与实体的差异程度、构件的连接强度；
所述基于所述性能指标与性能预设值的差值计算所得构件的性能差异系数，包括：
分别计算每个指标与其预设值的差异系数，进而计算各个指标的加权差异系数，以所述加权差异系数作为整体结构件的性能差异系数。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述根据所述性能差异系数对工程参数进行优化，包括：
判断所述性能差异系数是否超过阈值，若否，则对所述打印设备参数以及养护参数进行微调；若是，则进行构件材料性能的提升，和/或，进行拼接参数的调整；
基于调整后的参数重新打印所述整体结构件，并检验重新打印的整体结构件的性能是否满足要求，若是，则当前材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数、拼接参数为该整体结构件的最优工程参数；若否，则通过加固手段对整体结构件进行加固。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述阈值为5％。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述进行构件材料性能的提升，和/或，进行拼接参数的调整，包括：
对所述整体结构件进行结构分析，根据结构分析结果找到整体结构件的结构薄弱点，根据结构薄弱点的性能指标选择进行构件材料性能强度的提升，和/或，拼接参数的调整；
所述构件材料性能强度的提升，包括：根据裂缝宽度、应变、扰度指标对应的性能差异系数计算材料提升系数，根据所述材料提升系数对材料配合比进行重新设计。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述对所述打印设备参数进行微调，包括：
根据当前材料配合比对打印设备的挤出工具端的形状进行调整，以增大/减小挤出硬度；
根据当前材料配合比对打印设备的挤出速度、泵送速度进行调整，以增大/减小挤出速度与泵送速度。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述根据所述项目基本信息确定打印模型以及养护制度，包括：
根据项目要求确定养护制度；
根据构件的形状与尺寸确定打印模型，采用有限元分析模型对所述打印模型进行力学验算，验算合格后，输出各构件的结构分块设计，以及拼接参数；所述拼接参数包括：构件中各结构分块的拼接参数与构件之间的拼接参数。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述打印环境包括：打印平台参数、打印现场温度、湿度以及风速；其中，打印平台参数，包含：平整度、材质、尺寸；
所述打印设备参数包括：挤出工具端的形状及尺寸大小、泵送速度、挤出速度、轨迹行走速度；
所述打印路径，包括：每个构件中单一结构分块的切片层高与填充模式。
根据一种具体的实施方式，上述3D打印工程参数匹配方法中，所述基于所述材料配合比与打印路径进行预打印，包括：
基于所述材料配合比制备材料，对制备得到的材料进行新拌性能与硬化性能测试，判断制备得到的材料性能测试是否合格，若是，则基于所述材料配合比与打印路径进行预打印；若否，则不进行预打印，返回重新设计所述材料配合比。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明所提供的3D打印模型参数匹配方法，通过获取项目信息、并根据项目基本信息确定打印模型，基于打印模型对各个结构分块进行材料与路径的参数设计，进而在各结构分块的预打印合格之后，进行整体结构件的打印与性能测试，在整体结构件性能测试合格时，得到最优工程参数；该方法通过多工程参数的多级匹配，基于确定的参数设计后续参数，所得工程参数之间相互影响、适配，有效提高打印参数的准确性与打印的成功率，有效克服现有技术所存在的仅考虑单一因素对打印效果的影响、参数之间难以匹配，打印成功率不高难以转换为项目成果、打印成本增加的问题。
附图说明：
图1示出了本发明示例性实施例1的3D打印工程参数匹配方法流程图；
图2示出了本发明示例性实施例2的3D打印影响因素匹配关系示意图；
图3示出了本发明示例性实施例3的景观桥数字化设计模型示意图；
图4示出了本发明示例性实施例3的景观桥参数化设计示意图；
图5示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈构件设计示意图；
图6示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈结构分块示意图；
图7示出了本发明示例性实施例3的景观桥护栏构件设计示意图；
图8示出了本发明示例性实施例3的景观桥护栏结构分块部分示意图1；
图9示出了本发明示例性实施例3的景观桥护栏结构分块部分示意图2；
图10示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈的有限元模型示意图；
图11示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈的打印路径填充切片示意图；
图12示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈的打印路径拟合示意图；
图13a示出了本发明示例性实施例3的景观桥护栏的打印路径填充切片示意图1；
图13b示出了本发明示例性实施例3的景观桥护栏的打印路径填充切片示意图2；
图14a示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈的性能测试截面示意图；
图14b示出了本发明示例性实施例3的景观桥拱圈的性能测试纵向加载工况示意图；
图15a示出了本发明示例性实施例4的景观桥打印构件模型示意图1；
图15b示出了本发明示例性实施例4的景观桥打印构件模型示意图2；
图16示出了本发明示例性实施例4的景观桥打印构件模型打印路径规划示意图。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
图1示出了本发明实施例利用所述3D打印工程参数匹配流程，包括：
获取待打印工程的项目基本信息，所述项目基本信息包括：项目要求、各构件的尺寸与形状、打印环境；
根据所述项目基本信息确定养护制度，以及，根据所述项目基本信息确定各构件的打印模型；所述打印模型包括：各构件的结构分块设计，以及各构件的拼接参数；
针对每个构件的各个结构分块，根据结构分块的形状与尺寸、打印环境与养护制度确定材料配合比与打印路径，基于所述材料配合比与打印路径进行各结构分块的预打印；检验预打印的模型是否合格，若否，则重新确定所述打印路径，直到预打印模型合格；若是，则根据所述材料配合比与打印路径确定各结构分块的打印设备参数与养护参数；
基于各结构分块的材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数进行构件的打印，基于所述拼接方式将打印得到的构件进行拼接，得到整体结构件；
检验所述整体结构件的性能是否满足要求，若是，则以当前材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数、拼接参数为该整体结构件的最优工程参数；若否，则计算所得整体结构件的性能差异系数，根据所述性能差异系数对工程参数进行优化。
本实施例所提供的3D打印工程参数匹配方法，通过获取项目信息、并根据项目基本信息确定打印模型，基于打印模型对各个结构分块进行材料与路径的参数设计，进而在各结构分块的预打印合格之后，进行整体结构件的打印与性能测试，在整体结构件性能测试合格时，得到最优工程参数；该方法通过多工程参数的多级匹配，基于确定的参数设计后续参数，所得工程参数之间相互影响、适配，有效提高打印参数的准确性与打印的成功率，有效克服现有技术所存在的仅考虑单一因素对打印效果的影响、参数之间难以匹配，打印成功率不高难以转换为项目成果、打印成本增加的问题。本实施例为工程3D打印提供了一般的工法流程，为3D打印工程的实践应用提供规划与指导。
实施例2
在一种可能的实现方式中，在确定参数匹配流程之前，本发明实施例首先对3D打印工程进行工程分析，确定3D打印工程对应的工程参数及其匹配关系；根据3D打印工程对应的工程参数及其匹配关系建立相应的匹配方法以获取能够适配于工程应用的最优工程参数匹配方法。
本实施例中，通过对3D打印工程进行工程分析，确定3D打印工程对应的影响因素与各因素的匹配关系，据此建立3D打印模型参数匹配模型，对3D打印工程具有深远的工程指导意义。
在一种可能的实现方式中，如图2所示，本发明实施例通过工程分析得到3D打印工程对应的工程参数包含：打印环境、材料配合比、打印设备及参数、打印模型、打印路径、养护制度在内的六大影响因素。其中，打印路径规划与材料配合比分别与其余五种因素有关联。对于材料配合比而言，对材料配合比进行定量实验，确定材料配合比与其他各因素的影响关系。结合理论与实验可知，现场打印环境即为新拌材料的性能主要因素，影响着对材料水化速度、水分蒸发速率等的调控，打印设备及参数、路径规划、打印模型设计则为材料配合比的次要因素，影响着对材料的粘稠度、静动态屈服应力等的调控。而养护制度作为硬化后的打印试件性能主要因素，是硬化后的材料性能的主要因素。因此，养护制度与现场打印环境与材料配合比的主要影响因素。对于打印路径规划而言，材料配合比、打印设备及参数、打印模型、打印环境作为主要因素，影响着切片方向、横截面填充率与填充模式，从而在设计上影响着打印构件的性能和打印的可实现度。再有，打印横截面的填充率与填充模式受养护参数的影响导致硬化后的打印试件性能不同。同时，现场养护制度的确定又与打印模型设计、路径规划相关，即模型尺寸、形状影响着养护制度及参数的确定。而现场打印环境由于打印设备及参数存在间接关联，即打印环境的不同影响着同一种材料的打印设备及参数的确定。因此，养护制度与现场打印环境为打印路径的次要影响因素。
进一步的，所述的打印环境包含打印平台、现场温湿度以及风速等因素。其中，打印平台是能够供单一打印构件成型前的工作平面，包含平整度、材质、尺寸等因素。进一步的，所述的材料是将数字化的虚拟形体变成现实的重要载体，不限于水泥基在内的一切可打印材料。进一步的，所述的打印设备指的是能够将某一种或多类型材料完成“泵送、挤出、轨迹行走”全打印过程的执行仪器。进一步的，打印参数包含挤出工具端的形状及尺寸大小、泵送速度、挤出速度、轨迹行走速度等相关数值。进一步的，所述的打印模型是指材料经打印设备上的工具端完成挤出与行走轨迹后的、可完整呈现在现实世界的虚拟形体。其中，打印模型具体参数包含构件的结构分块设计，进一步的，所述的打印路径是指在满足项目特定打印模型前提下的打印设备工具端能够行走的轨迹。其中，主要内容是构件单一模型的切片层高与填充模式。进一步的，所述的养护制度是满足项目“吊、运、用”时间节点，且能够进一步提升打印构件性能和质量、加大生产效率的方式。进一步的，打印设备主要包含桁架式、机械臂、桁架与机械臂混合式三大类，主要受打印尺寸、空间自由度、打印平台等影响，即打印环境、打印路径。其一，以桁架式打印设备为主，该类设备可以稳定打印大尺寸构件，并且成本普遍偏低，但是不能打印空间曲面构件。其二，以多自由度工业机械臂为主，该类设备可实现空间曲面打印，但是控制技术和制造成本偏高。其三，桁架与机械臂相结合，该设备可打印任意造型的大尺度构件，但是成本很高。
在一种可能的实现方式中，在材料配合比与其他因素的匹配方式上，对于材料而言，按照材料的硬化前后分为两部分，一部分为新拌材料的可打印性能。另一部分为硬化后的打印构件，具体可分为挤出材料条内与条之间的硬化性能；对于设备而言，主要包含设备的选型以及适用范围。其中，所述新拌材料的可打印性能为材料在一定时间内以及特定条件下的输送能力、流变能力、挤出成型能力、堆叠能力、凝结时间、粘稠度等一切保障打印构件成型质量的材料性能。其中，所述特定条件包含打印参数、打印环境、打印路径、打印模型。
在一种可能的实现方式中，针对上述3D打印工程参数匹配模型，以材料配合比为参考，列举材料配合比与其他因素的匹配关系：
1、新拌材料配合比与打印设备参数的匹配，具体包含挤出速度与行走速度之间的关系、挤出头形状、泵送(挤出)电机与材料泵送(挤出)压力之间的匹配关系。挤出头形状会影响着打印时材料的成型质量。挤出速度、行走速度取决于材料的屈服应力与粘度，若在同一挤出速度下材料的屈服应力与粘度过大，则应该对行走速度进行适度调小，以避免挤出条宽度过小或出现材料因拉扯产生的裂纹，甚至是断裂。泵送(挤出)电机为保证平稳泵送(挤出)同样与材料的静动态屈服应力与粘度有直接关系，以及与泵送(挤出)传输媒介的摩擦系数有间接关系。这些参数的确定都需要与材料特性、打印环境、打印路径等因素匹配。
2、新拌材料与打印环境的参数匹配，即现场温湿度、风速与水泥基材料的水化速度、水分蒸发速率之间的关系、风速以及打印平台的材质与模型横截面填充率之间的关系、打印平台的平整度、尺寸与打印路径规划之间的关系等。其中，温湿度、风速的提高会加快胶凝材料的水化速度、水分蒸发速率，从而影响新拌材料的可打印性能，但是会提高材料堆积过程中的抗干扰能力。同时，任意风向的风速过大均有可能导致打印过程中堆积的材料失稳而坍塌。而且，平台的材质影响不断堆积材料后平台的变形程度与稳定性。而打印模型内横截面的填充率越大会加强堆积材料的抗扰动能力。打印平台的凸起与凹陷的程度会影响打印构件底面的平整度，如果平整度过差，有可能阻碍挤出工具端的行进轨迹或导致堆积过程中出现同一横截面材料堆积高度不一致而留下失稳、坍塌的隐患。
3、新拌材料与打印路径设计参数的匹配，即切片层高与挤出口径之间的关系、模型横截面填充模式及填充率与材料流(触)变性能的关系。其中，切片层高与挤出口径之间的比值同样与材料内颗粒粒径大小、流(触)变性能有关，从而影响着打印构件侧面成型质量。不同填充模式与材料流(触)变性能之间的匹配关系会导致模型与实际构件的横截面填充率及断点分布存在一定程度的差异，差异大小取决于材料挤出后的宽度与打印路径规划中的填充间距之间的差距，从而影响打印构件平面的平整度。
4、新拌材料与打印模型设计参数的匹配，即模型分块的长、宽、高，以及悬挑角度等。模型横截面尺寸的大小影响着材料的可打印时间、可打印层数及层高，若模型横截面过小，则新拌材料粘稠度的要求适当调大，反之亦然。模型悬挑角度依赖于材料挤出成型保持的能力，即模型悬挑角度取决于受到偏压的挤出材料条在抵抗变形时静态屈服应力的大小，两者成正相关。
5、打印条内材料的硬化性能主要由材料配合比决定。但是，受养护制度、打印参数、打印环境、打印模型影响，从而间接影响打印构件的相关性能。养护制度作为主要因素，对于3D打印材料(如水泥基)性能有较大影响。其中，按类型大体分为自然养护、标准养护、蒸汽养护，大多构件厂为提高翻台率均选用蒸汽养护的方式。因此，为加大3D打印技术在类型工程上的推广与适配性，对于材料配合比的研究与设计应考虑到养护方式，以确保工程应用时充分发挥所配制材料的固有优势。例如，鉴于蒸汽养护虽然会提高生产效率，但是会对材料造成损伤。因而，材料配合比宜采取最紧密堆积理论，掺加一定量的矿粉、粉煤灰、硅灰等矿物掺和料，优化水泥水化产物和孔隙结构，以提高打印试件的蒸养适应性。
6、打印参数作为次要因素，主要影响着打印条内的密实度，进一步影响着材料的硬化性能。其中，挤出速度、行走速度影响着打印条的宽度和条内密实度。同样，挤出口径与输送管道之比影响着材料的挤出与泵送压力，而其大小会对挤出条条内的密实度有影响；上述3D打印工程参数匹配模型中，打印环境作为一般因素，在材料还未进入初凝时，打印平台稳定性与平整度、风速影响着挤出条材料的受力状态，易出现除材料自身重力以外干扰堆积材料稳定性的力，从而导致挤出条内材料的密实度下降。同时，现场温湿度、风速对挤出条内材料的水化程度与水分蒸发速率产生影响，从而材料中的孔隙水蒸发产生负压导致材料内出现局部微观的拉伸应变，若此应变超过该类材料所能承受的拉伸能力，从而可能导致挤出条材料的开裂。
7、对于打印模型与打印路径而言，更重要的是模型悬挑角度的选取与路径设计。若模型或路径出现悬挑，即同一水平位置不同高度的打印路径轨迹中线不完全重合，则会因角度、悬挑的程度、材料粘稠度等的不同出现局部细观或宏观的拉扯现象，从而导致材料密实度受影响。进一步的，层层堆积的打印方式造成不可避免的层间弱粘结，从而产生了除材料本身性能之外影响打印构件性能的另一大主要因素-层间薄弱面。
8、打印条与条之间的硬化性能，即层间界面性能，该性能由材料配合比与打印参数决定，受养护制度、打印环境、打印模型、打印路径影响：
其一，水泥基材料的界面粘结作用可以分为化学作用和机械作用。一方面，依靠新旧材料之间的化学作用，即材料配合比设计，通过发生化学反应或分子层面的物理作用力而产生紧密粘结。材料的凝结时间越慢，与同一材料浇筑试件的性能差异越小，即层间薄弱面现象越不明显。另一方面，依靠机械作用，即打印参数，例如挤出头形状可以改变界面表面的洁净度、粗糙度等，从而会影响着挤出条与条之间的粘结强度。即同一材料，相邻挤出条的表面越粗糙，层间薄弱面现象越不明显。同时，打印参数中行走与挤出速度也会影响着层与层之间打印的时间间隔，间隔越短，层间薄弱面现象越容易得到改善。
其二、打印模型设计中模型横截面尺寸的大小影响着层与层之间打印的时间间隔，从而对界面粘结强度、抗渗性能均有一定影响。即模型横截面越小，相邻上下两层材料接触的时间间隔越小，从而使层间薄弱面现象会有一定改善。同时，根据模型悬挑角度与路径设计的不同，会对同层挤出条两侧的粘结强度受影响；其三，打印环境中现场的温湿度对于水泥基材料的水化速度与水分蒸发有密切关系，同样影响着材料的凝结时间，进而影响打印层界面之间的性能；其四，在打印路径设计中，切片层高与挤出工具端孔径(若为矩形挤出端，则为竖向垂直于打印平面的边长)之间的比值主要影响着打印层与层之间的密实度，即比值越小，层间材料的挤压力度越大，继而对层间薄弱面现象有一定程度的改善。同时，不同的填充模式会导致模型横截面填充率与断点分布不同，从而影响打印层间的力学性能与耐久性能。即同一条件下，填充率越大，断点越少，层间薄弱面的现象越不明显。其五，养护参数同样对挤出条与条之间的性能有影响。与浇筑试件不同，打印试件存在定向排布的层间薄弱面，即存在定向排布的孔隙缺陷。随着养护参数中的温湿度上升或下降，均会导致打印试件层间的定向膨胀或收缩，从而极可能产生与浇筑试件不同的微裂纹分布及延伸，从而影响挤出条与条之间的性能。
在一种可能的实现方式中，上述所述根据所述项目基本信息确定打印模型以及养护制度，包括：根据项目要求确定养护制度；根据构件的形状与尺寸确定打印模型，采用有限元分析模型对所述打印模型进行力学验算，验算合格后，输出各构件的结构分块设计，以及拼接参数，所述拼接参数包括：构件中各结构分块的拼接参数与构件之间的拼接参数。本实施例，通过有限元验算，保证构件结构分块的准确性，为后续路径与材料的准确设计提供支撑。
在一种可能的实现方式中，根据所述打印环境与养护制度确定材料配合比，并根据打印模型所得的结构分块的形状与大小与材料配合比确定打印路径。所述基于材料配合比与打印路径进行预打印，包括：基于所述材料配合比制备材料，对制备得到的材料进行新拌性能与硬化性能测试，判断制备得到的材料性能测试是否合格，若是，则基于所述材料配合比与打印路径进行预打印；若否，则不进行预打印，返回重新设计所述材料配合比。本实施例，通过在预打印之前对材料进行性能测试，避免采用不合格的材料进行预打印所造成的成本损失。
在一种可能的实现方式中，上述检验预打印是否合格，包括检验单一打印结构分块的是否满足硬化性能指标，同时需要检验打印模型是否能够完成整个打印过程，即打印成型质量。具体检验可以根据项目要求进行调整，例如，项目要求为景观型构筑物，则侧重单一打印构件的成型质量；若为建筑物，则侧重单一打印构件的硬化性能指标。有的时候打印构件悬挑角度较大，或者空间扭转程度较大，则会增加材料配合比的可打印性能要求，甚至这个打印构件在现有技术下能完成打印，则此时就要修改打印路径，比如悬挑角度、空间扭转度的路径规划，可选地，在某个结构分块路径规划出现难以规划的情况时，通过将该结构分块对应的构件结构分块进行一分为二或三的重分割，基于新的结构分块重新进行路径规划，直到满足单一打印构件的成型过程和质量。
在一种可能的实现方式中，上述检验所得构件性能是否满足要求，至少包括：通过实验获取所述整体结构件中受力指标的性能指标，判断所述性能指标是否达到预设值，若是，则认为所得整体结构件性能满足要求，若否，则认为所得整体结构件性能不满足要求，并基于所述性能指标与预设值的差值计算所得构件的性能差异系数。对于整体结构件中的景观型构件可以根据项目要求进行选择性测试。
在一种可能的实现方式中，上述通过实验获取的整体结构件的性能指标，包括：应变、扰度、横截面、裂缝宽度、模型与实体的差异程度、构件的连接强度；
每个指标对应的预设值会根据项目的实际要求进行设定。在一种可能的实现方式中，通过计算各个指标的加权差异系数作为构件的性能差异系数，即构件的性能差异系数＝应变差异百分比*a1+扰度差异百分比*a2+横截面差异百分比*a3+裂缝宽度差异百分比*a4+模型与实体的差异程度*a5+构件连接强度*a6；其中，a1～a6为各指标的权重(总和为1)，根据项目要求设定，其中，达到性能预设值的指标差异百分比记为0。例如，对构件性能测试时，应变差异百分比为1％，横截面差异为6％，其他指标均达到预设值，那么构件的性能差异系数即为“1％*a1+6％*a3”。
在一种可能的实现方式中，所述根据所述性能差异系数对工程参数进行优化，包括：判断所述性能差异系数是否超过阈值，若否，则对所述打印设备参数以及养护参数进行微调；若是，则进行构件材料性能的提升，和/或，进行拼接参数的调整；；基于调整后的参数重新打印所述整体结构件，并检验重新打印的整体结构件的性能是否满足要求，若是，则当前材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数、拼接参数为该整体结构件的最优工程参数；若否，则通过加固手段对整体结构件进行加固。本实施例中，通过划分阈值、阈值判定的方式，快速确定整体结构件的参数调整方向。
在一种可能的实现方式中，所述阈值为5％。通过大量工程实践可知，当构件性能差异达到5％时，通过调整打印设备参数和/或养护参数、打印路径对构件性能的提升作用不明显，此时应当返回调整材料配合比与其他参数的适配性，以提升构件性能。因此，本实施例中，通过设定与工程实际相符合的差异阈值，为调整方案的快速确定提供有效的依据。
在一种可能的实现方式中，上述进行构件材料性能的提升，和/或进行拼接参数的调整，包括：对所述整体结构件进行结构分析，根据结构分析结果找到整体结构件的结构薄弱点，根据结构薄弱点的性能指标选择进行构件材料性能强度的提升，和/或，拼接参数的调整；所述构件材料性能强度的提升，包括：根据裂缝宽度、应变、扰度指标对应的性能差异系数计算材料提升系数，根据所述材料提升系数对材料配合比进行重新设计。可以理解的是，在预打印阶段通过预打印性能测试，相应的单一构件性能已经满足要求，因此若是拼装后的整体构件不满足要求，则要进行结构分析。找到结构薄弱点，确定薄弱点对应的结构问题，例如，若是拼接参数带来的与实体模型差异程度，则需要进行更换或改进连接方式；若是材料性能问题造成的裂缝过宽，则根据差异程度确定整体结构的安全提升系数(以此确定材料提升系数)，更换或改进连接方式，重新打印构件；对于整体打印构件复杂或尺寸较大，结合项目成本，进行重新打印后的常规加固，再次进行试验。若合格，则进行输出最优参数；否则应对加固手段进行设计，选取加强加固手段(例如贴碳纤维布、外部加钢骨架等)。
在一种可能的实现方式中，所述对所述打印设备参数进行微调，包括：根据当前材料配合比对打印设备的挤出工具端的形状进行调整，以增大/减小挤出硬度；根据当前材料配合比对打印设备的挤出速度、泵送速度进行调整，以增大/减小挤出速度与泵送速度。其中，根据材料的实际情况，以及打印路径等参数进行调节。
最后，当得到每个构件的最优工程参数时，进行工程应用，打印各个构件，并进行拼接、吊装、得到成型的建筑物。
实施例3：
项目计划打印一座3D打印混凝土景观型拱桥，模型图为，计算跨径为6m，桥梁全宽为2.0m。按照图1，S1：首先获取项目信息，根据项目信息确定部分参数与方向(打印设备选型、养护制度、根据工法确定打印环境等)。其中，拱圈等承重结构构件注重硬化性能。护栏等景观构件属于非承重结构，因此，以轻量化、美观为主。首先，对现场环境进行了勘察，周边树木丛生，无平整空地，露天无遮挡，可使用场地狭窄。其次，鉴于现场环境的勘测，建造工法选用为工厂式预制(此时打印环境为工厂环境)，分块化打印构件。再次，鉴于所打印的3D打印混凝土拱桥的拱圈为弧形，初步确定打印设备为工业机械臂式。
首先，鉴于项目成本与建造工法，机械臂设备规格尺寸如表1-1所示。同时，为最大限度地满足项目中单一模型单元尺寸要求，增设了拓展轴，技术参数如表1-2。
表1-1 KUKAR120-2500技术参数
Figure BDA0003499696590000121
Figure BDA0003499696590000131
表1-2示出了本实施例所述的3D打印系统中选用的机器人重载齿轮齿条传动导轨的参数，其型号为WD900-2000-500-65000。
表1-2 WD900-2000-500-65000型导轨技术参数
Figure BDA0003499696590000132
其次，由于项目成本有限，养护方式选用为覆膜自然养护。关于打印构件成品类型划分及连接方式设计。3D打印景观箱型拱桥桥按照实腹式两脚拱设计，桥梁全长9.5m，桥梁净宽2m，除两侧拱座采用钢筋混凝土结构外，主拱圈、拱背侧墙、台背侧墙、人行道板及护栏均采用3D打印混凝土构件，构件之间采用砂浆砌缝连接。图3示出了本实施例的3D打印箱型拱桥数字化设计模型，主拱圈设计采用半径3.6m的圆弧线，拱圈厚度35cm，计算跨径6m，计算矢高1.6m，矢跨比为1/3.75。
(1)景观桥参数化设计
根据工程设计方案对景观桥进行了参数化设计，可分为拱圈、护栏、拱背侧墙等构件，设计效果图如图4所示。
(2)景观桥拱圈及节段构造
进一步的，经对如图5所示的拱圈构件进行建模分析，可将拱圈分为53块进行构造。进一步的，将拱圈的3D打印结构可分为4种结构分块，如图6所示：(a)1号分块(b)2号分块(c)3号分块、(d)4号分块；其中，1号构件34块、2号构件13块、3号构件4块、4号构件2块，拱圈节段构造具体信息见表1-3。
表1-3拱圈节段构造统计
Figure BDA0003499696590000133
Figure BDA0003499696590000141
(3)景观桥护栏及节段构造
景观桥护栏模型如图7所示，经对护栏进行建模切片处理，可将单侧护栏分为20块进行分块构造，共计40块。护栏的3D打印构件部分分块模型如图8、图9所示。
在确定打印模型分块后，进行结构模型验算，在模型验算合格后确定拼接参数。采用MIDAS/Civil 2019建立本桥限元模型，采用杆系单元建模，支座按照对应位置的支座类型采用一般支撑模拟。有限元模型如图10所示。
桥梁静力计算主要考虑恒载、活载具体荷载如下：
1)恒载
一期恒载：拱圈重量，软件均按构件截面自动计入。
二期恒载：包括拱背、拱上填土、人形道板及护栏荷载，按照实际位置在有限元模型上进行加载。
2)活载
人行荷载：在人行道范围内按照3kN/m2进行加载。
主要工况下拱圈正应力仿真结果如表1-4所示。
表1-4拱圈正应力汇总表(单位：MPa)
荷载组合工况 上翼缘 下翼缘
施工阶段：落拱 -0.2 -0.3
施工阶段：二期恒载施工完成 -0.5 -0.6
人行荷载 -0.1 -0.1
承载能力极限组合 -0.7 -0.9
S3，材料配合比与打印路径参数设计。同时对拱圈和护栏进行“软”性能设计与“硬”性能设计。首先，对于拱圈，划分后的单一模型较为简单，模型填充模式确定为“回”字型填充，即等距螺旋多段线式切片方式，如图11所示。但是，拱圈模型不能通过单纯的平面切片打印而成，因此，采用空间路径拟合技术，进行三维斜向空间平面切片打印。同时，本实施采用某公司成熟的配合比材料X，因此不需要对材料进行额外的材料新拌性能与浇筑工艺下的硬化性能检测(若为新设计的材料需要进行性能测试后方可进行预打印)，可直接进行模型预打印。过程中，为满足拼装要求，打印构件的成型质量要求与模型尺寸误差较小，因此，采用挤出工具端形状采用矩形，从而需要同时采用平面路径拟合切片控制技术，改变打印头姿态，如图12所示。再次进行试打印，从而确定了该类型模型的最优打印路径。对于护栏，为更好地使打印构件轻量化，因此，内部以“Z”字型进行轮廓局部填充，如图13a、13b所示，从而确定了该类型模型的最优打印填充路径。
S4，养护参数确定。鉴于项目成本与场地有限，为保证构件适用于装配，因此，养护制度采用覆膜养护，放置在封闭环境下，温度控制在20℃左右。最后，进行整体结构件的打印以及性能测试。在本实施例中，将桥梁受力部分拼装后，根据项目要求进行受力构件性能检测。
试验准备
关于构件性能测试，以拱圈受力构件为例，其中，3D打印箱型拱桥荷载试验的准备工作包括测点布置、测试仪器准备等。
(1)测试截面的确定
确定应变测试截面的原则是将人行桥在人行荷载作用下内力最不利的截面作为荷载试验的测试截面。依据桥梁设计图和《公路桥涵设计通用规范》的有关规定，对上部结构进行了详细的分析计算，由荷载作用下的包络图可确定该桥的最大正弯矩和最大挠度发生在跨中。根据计算结果，确定测试截面的位置如图14a所示，测试内容详见表6-3。
表1-5测试截面及内容
截面编号 截面位置 测试内容
1-1 拱脚 应变、拱脚位移
2-2 L/4跨 应变、挠度(百分表)
3-3 跨中 应变、挠度(百分表)
4-4 拱脚 应变、拱脚位移
(2)加载方式
人行桥计算人群荷载3kN/m2。为了保证试验的有效性，且出于方便加载的考虑，提出两种加载方式，一种是和实际使用荷载比较接近，用行人加载；另外一种用沙袋加载。
1)行人加载：22人
加载时横向按两排行人布置，单个行人按75kg体重考虑。行人横向中心间距0.8m，纵向中心间距0.5m。
2)沙袋加载：3kN/m2～5kN/m2沙袋
加载时采用沙袋平铺的方式，沙子容重按18kN/m3，3kN/m2则需要加载16.7cm高的沙袋，5kN/m2则需要加载27.8cm高的沙袋。
根据现场实际情况，选择沙袋加载，共计100袋，平均每袋标准重量40kg。
(3)试验工况
与试验内容对应，共分为2种试验工况，如图14b各工况采用沙袋加载。具体说明如下：
工况1：中载加载，3kN/m2(80袋)沙袋两侧居中摆放；
工况2：中载加载，5kN/m2(100袋)沙袋两侧居中摆放。
(4)试验结果
表1-6挠度计算值和实测值 单位：mm
Figure BDA0003499696590000161
表4应变计算值和实测值 单位：με
Figure BDA0003499696590000162
Figure BDA0003499696590000171
(5)试验小结
由试验结果可知：各加载工况应变校验系数在0.12～1.67之间，只有个别位置校验系数大于1；挠度校验系数在0.44～1.07之间；表明3D打印箱型拱桥使用性能良好，承载能力满足要求。同时按照其他指标的试验规范，对其他指标(横截面、裂缝宽度)进行试验，试验结果表明均得到预设性能指标，此时，即可作为最优工程参数进行输出。最后，可直接利用上述最优工程参数进行工程应用。将护栏等构件进行逐一生产，吊运、质检、施工。在过程中，如出现破损则将无损伤同模型构件进行替补。
实施例4
与实施例3不同项目环境下的景观桥中护栏构件的打印，按照流程图，获取项目信息：由于所打印模型为景观构件，属于非承重结构，因此，以轻量化、美观为主。首先，勘察现场环境。现场为厂房内由于无温湿度控制系统而随季节变化明显，厂内无风，几乎无扰动。其次，现场基本具备良好的打印环境，仅需要将所使用材料配合比的温度适应性适当扩大，从而确定了建造工法为原位打印。再次，打印设备的选型为满足能够打印空间，同时，由于打印设备的工作温度为5℃以上，故所使用材料参考当地全年平均温湿度变化，将其适用温度定在5℃-35℃之间为宜。
其二，依据成品尺寸定类型，其余参照实施例3中的打印模型确定部分内容。
其三，工程参数设计，由于打印环境发生变化，如果依然选用材料X，则可能发生材料与环境不匹配出现“波浪”状挤出条的情况。而参考本发明实施例所提供的参数匹配方法，此时需要依据当前打印环境、养护制度对材料X进行调整。在实际操作时，通过应用矿物掺和料对胶凝材料细度进行优化。即基于最紧密堆积理论，通过复掺矿物掺和料，用以降低水化热，优化颗粒细度级配，从而提升材料的温度适应性、新拌性能等。最终，调出最优配合比CA，如表1所示，并进行了试打印(除材料外，其他参数沿用实施例3的参数，例如：Z字形填充路径)。成品成型质量良好，棱角分明、无堆积变形，材料表面较细腻。转弯处开裂、“波浪”状打印条、明显材料缺陷等现象并未发生，并且，泵压小了1倍。
表1实验室基准配合比(wt.％)
Figure BDA0003499696590000172
由此可知，本发明实施例所提供的基于影响因素的3D打印参数匹配模型与方法，能够有效提高打印成功率。
实施例5
如图15a、b所示，待打印构件为横截面不断缩小的景观型打印构件。按照图3所示的方法，获取打印环境、打印模型、养护制度等参数后。对材料配合比与打印路径的设计上：首先，划分后的单一模型较为简单，模型填充模式确定为无填充，仅进行轮廓打印。为确保打印构件成型质量的优质性，无后处理，因此选用图16所示的路径。同时，结合打印模型、打印路径、打印环境等影响参数，对材料配合比进行研发。其中，打印模型横截面越小，要求材料的静态屈服应力与黏度越大，才能确保堆积过程不出现坍塌。打印路径的连续性使得每层打印的间歇时间进一步减小，进而要求了材料需具备良好的挤出能力，在转弯处不能出现裂纹。因此，砂胶比需控制在1.0左右，颗粒级配需得到优化。对于打印设备参数而言，尤其是打印工具端的行走速度与泵送(挤出)速度相结合的同时，进一步放缓打印速度，适当延长打印时间。其次，模型试打印。过程中，为满足成型质量要求，因此，挤出工具端形状采用矩形(当打印参数在其他参数均不变的前提下变化时，强度就会有差别：当采取挤出工具端为矩形时，14天打印件双向取样抗压强度在45-55MPa之间，当为圆形时，强度仅在30-35MPa之间)。最后，进行构件打印与性能测试，所得构件性能测试合格，从而确定了该类型模型的最优打印参数。
据此可知，当打印参数在其他参数均不变的前提下变化时，就可能会影响打印构件的成型质量与性能，当打印模型在其他参数均不变的前提下变化时，就会出现导致具有良好可打印性能的材料出现不一样的成型效果，从而可能影响打印构件的成型质量与性能，如图7所示。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述方法包括：
获取待打印工程的项目基本信息，所述项目基本信息包括：项目要求、各构件的尺寸与形状、打印环境；
根据所述项目基本信息确定养护制度，以及，根据所述项目基本信息确定各构件的打印模型；所述打印模型包括：各构件的结构分块设计，以及拼接参数；
针对每个构件的各个结构分块，根据结构分块的形状与尺寸、打印环境与养护制度确定材料配合比与打印路径，基于所述材料配合比与打印路径进行各结构分块的预打印；检验预打印的模型是否合格，若否，则重新确定所述打印路径，直到预打印模型合格；若是，则根据所述材料配合比与打印路径确定各结构分块的打印设备参数与养护参数；
基于各结构分块的材料配合比、拼接参数、打印路径、打印设备参数与养护参数进行构件的打印，得到整体结构件；
检验所述整体结构件的性能是否满足要求，若是，则以当前材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数、拼接参数为该整体结构件的最优工程参数；若否，则计算所得整体结构件的性能差异系数，根据所述性能差异系数对工程参数进行优化。
2.如权利要求1所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述检验所得整体结构件的性能是否满足要求，包括：
通过实验获取所述整体结构件中受力构件的性能指标，判断所述性能指标是否达到预设值，若是，则认为所得整体结构件性能满足要求，若否，则认为所得整体结构件性能不满足要求，并基于所述性能指标与预设值的差值计算所得构件的性能差异系数。
3.如权利要求2所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，通过实验获取的受力构件的性能指标，包括：应变、扰度、横截面、裂缝宽度、模型与实体的差异程度、构件的连接强度；
所述基于所述性能指标与性能预设值的差值计算所得构件的性能差异系数，包括：
分别计算每个指标与其预设值的差异系数，进而计算各个指标的加权差异系数，以所述加权差异系数作为整体结构件的性能差异系数。
4.如权利要求3所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述根据所述性能差异系数对工程参数进行优化，包括：
判断所述性能差异系数是否超过阈值，若否，则对所述打印设备参数以及养护参数进行微调；若是，则进行构件材料性能的提升，和/或，进行拼接参数的调整；
基于调整后的参数重新打印所述整体结构件，并检验重新打印的整体结构件的性能是否满足要求，若是，则当前材料配合比、打印路径、打印设备参数与养护参数、拼接参数为该整体结构件的最优工程参数；若否，则通过加固手段对整体结构件进行加固。
5.如权利要求4所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述阈值为5％。
6.如权利要求4所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述进行构件材料性能的提升，和/或，进行拼接参数的调整，包括：
对所述整体结构件进行结构分析，根据结构分析结果找到整体结构件的结构薄弱点，根据结构薄弱点的性能指标选择进行构件材料性能强度的提升，和/或，拼接参数的调整；
所述构件材料性能强度的提升，包括：根据裂缝宽度、应变、扰度指标对应的性能差异系数计算材料提升系数，根据所述材料提升系数对材料配合比进行重新设计。
7.如权利要求3所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述对所述打印设备参数进行微调，包括：
根据当前材料配合比对打印设备的挤出工具端的形状进行调整，以增大/减小挤出硬度；
根据当前材料配合比对打印设备的挤出速度、泵送速度进行调整，以增大/减小挤出速度与泵送速度。
8.如权利要求1～7任一所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述根据所述项目基本信息确定打印模型以及养护制度，包括：
根据项目要求确定养护制度；
根据构件的形状与尺寸确定打印模型，采用有限元分析模型对所述打印模型进行力学验算，验算合格后，输出各构件的结构分块设计，以及拼接参数，所述拼接参数包括：构件中各结构分块的拼接参数与构件之间的拼接参数。
9.如权利要求1～7任一所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述打印环境包括：打印平台参数、打印现场温度、湿度以及风速；其中，打印平台参数，包含：平整度、材质、尺寸；
所述打印设备参数包括：挤出工具端的形状及尺寸大小、泵送速度、挤出速度、轨迹行走速度；
所述打印路径，包括：每个构件中单一结构分块的切片层高与填充模式。
10.如权利要求1～7任一所述的3D打印工程参数匹配方法，其特征在于，所述基于所述材料配合比与打印路径进行预打印，包括：
基于所述材料配合比制备材料，对制备得到的材料进行新拌性能与硬化性能测试，判断制备得到的材料性能测试是否合格，若是，则基于所述材料配合比与打印路径进行预打印；若否，则不进行预打印，返回重新设计所述材料配合比。
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